I nær fremtid vil alle strømkabler være laget av superledende materialer

Prinsippet om superledelse. Magnetfelteffekt

Strømmen i ledere er alltid forbundet med energitap, d.v.s. med overgang av energi fra elektrisk til termisk. Denne overgangen er irreversibel, den omvendte overgangen assosieres bare med avsluttet arbeid, da termodynamikk snakker om dette. Det er imidlertid muligheten for å konvertere termisk energi til elektrisk energi og bruke den såkalte termoelektrisk effekt, når to kontakter av to ledere brukes, hvorav den ene blir oppvarmet og den andre avkjølt.

Faktisk, og dette faktum er overraskende, er det en rekke ledere der det under visse forhold ikke er noe energitap under strømmen! I klassisk fysikk er denne effekten uforklarlig.

I følge den klassiske elektroniske teorien skjer bevegelsen til en ladningsbærer i et elektrisk felt jevnlig akselerert til det kolliderer med en strukturell defekt eller med en gittervibrasjon. Etter en kollisjon, hvis den er uelastisk, som en kollisjon av to plasticinekuler, mister et elektron energi, og overfører det til et gitter av metallatomer. I dette tilfellet kan det i prinsippet ikke være noen superledelse.

Det viser seg at superledelse vises bare når kvanteeffekter tas i betraktning. Det er vanskelig å forestille seg det. Noe svak idé om superledningsmekanismen kan fås fra følgende betraktninger.

Det viser seg, gitt at elektronet kan polarisere atomet til gitteret som ligger nærmest det, d.v.s. trekke det litt mot deg på grunn av virkningen av Coulomb-styrken, så vil dette gitteratomet forskyve litt det neste elektronet. En binding av et par elektroner dannes som den var.

Når elektronet beveger seg, oppfatter den som den andre komponenten av paret energien som elektronet overfører til gitterets atom. Det viser seg at hvis vi tar hensyn til energien til et par elektroner, så endres det ikke under en kollisjon, d.v.s. tap av elektron energi oppstår ikke! Slike elektronpar kalles Cooper-par.

Generelt er det vanskelig å forstå for en person med etablerte fysiske ideer. Det er lettere for deg å forstå, i det minste kan du ta det for gitt.

superledningogså overflodble funnet i eksperimenter ved ultra-lave temperaturer, nær absolutte nulltemperaturer. Når du nærmer deg absolutt null, fryser gittervibrasjonene. Motstanden mot strømning avtar selv i henhold til den klassiske teorien, men til null ved en viss kritisk temperatur T_med, avtar den bare i henhold til kvantelover.

Supreledningsevne ble oppdaget av to fenomener: For det første om at elektrisk motstand forsvant, og for det andre på diamagnetisme. Det første fenomenet er klart - hvis du passerer en viss strøm jeg gjennom lederen, deretter ved spenningsfallet U motstand kan bestemmes på lederen R = U / I Spenningens forsvinning betyr at motstanden forsvinner som sådan.

Det andre fenomenet krever mer detaljert vurdering. Logisk sett er mangelen på motstand identisk med materialets absolutte diamagnetiske natur. Tenk deg faktisk en liten opplevelse. Vi vil introdusere superledende materiale i magnetområdet. I følge Joule-Lenz-loven må det oppstå en strøm i lederen som fullstendig kompenserer for endringen i magnetisk flux, d.v.s. den magnetiske fluksen gjennom superlederen var både null og forblir null. I en konvensjonell leder synker denne strømmen, fordi lederen har en motstand. Først da trenger et magnetfelt gjennom lederen. I en superleder falmer den ikke.Dette betyr at den flytende strømmen fører til en fullstendig kompensasjon av magnetfeltet i seg selv, dvs. feltet trenger ikke inn i det. Fra et formelt ståsted betyr et nullfelt at den magnetiske permeabiliteten til materialet er null, m = 0 dvs. kroppen manifesterer seg som en absolutt diamagnet.

Imidlertid er disse fenomenene bare karakteristiske for svake magnetiske felt. Det viser seg at et sterkt magnetfelt kan trenge inn i materialet, dessuten ødelegger det superledelsen i seg selv! Introduser konseptet kritisk felt B_medsom ødelegger en superleder. Det avhenger av temperaturen: maksimalt ved en temperatur nær null, forsvinner ved overgang til en kritisk temperatur T_med. Hvorfor er det viktig for oss å kjenne spenningen (eller induksjonen) der superledningsevnen forsvinner? Faktum er at når en strøm strømmer gjennom en superleder, blir det fysisk opprettet et magnetfelt rundt lederen, som skal virke på lederen.

For eksempel for en sylindrisk leder med radius r plassert i et medium med magnetisk permeabilitet mmagnetisk induksjon på overflaten i samsvar med loven fra Bio-Savard-Laplace

B = m₀× m ×I / 2pr (1)

Jo større strøm, jo ​​større felt. Således, med en viss induksjon (eller spenning), forsvinner superledningsevnen, og derfor kan bare en strøm mindre enn den som skaper kritisk induksjon føres gjennom lederen.

For et superledende materiale har vi således to parametere: kritisk magnetfeltinduksjon B_med og kritisk temperatur T_med.  

For metaller er kritiske temperaturer nær absolutte nulltemperaturer. Dette er området med såkalt "Helium" temperaturer, sammenlignbare med kokepunktet for helium (4,2 K). Når det gjelder kritisk induksjon, kan vi si at den er relativt liten. Det kan sammenlignes med induksjon i transformatorer (1-1,5 T). Eller for eksempel med induksjon nær ledningen. For eksempel beregner vi induksjon i luft nær en ledning med en radius på 1 cm med en strøm på 100 A.

m₀ = 4p 10^-7 BNI / m
m = 1, I = 100 A,
r = 10^-2m.

Ved å erstatte uttrykk (1) oppnår vi B = 2 mT, dvs. en verdi som tilnærmet tilsvarer kritisk. Dette betyr at hvis en slik leder settes i en kraftledning, for eksempel 6 kV, så vil den maksimale effekten som kan overføres gjennom hver fase være P_m = U_f· Jeg = 600 kW. Eksemplet som ble vurdert viser at det iboende magnetiske feltet begrenser muligheten til å overføre strøm gjennom en kryogen ledning. Dessuten, jo nærmere temperaturen til kritisk temperatur, jo lavere er den kritiske induksjonsverdien.

Lavtemperatur superledere

Over har jeg allerede fokusert på noen spesifikke superledende materialer. I prinsippet er egenskapen til superledelse karakteristisk for nesten alle materialer. Bare for den mest elektrisk ledende - kobber, sølv (paradoks?) Supraledningsevne blir ikke oppdaget. Den spesifikke anvendelsen av superledelse i energisektoren er fristende: Å ha tapeløse kraftledninger ville være fantastisk. En annen applikasjon er en generator med superledende viklinger. En prøve av en slik generator ble utviklet i St. Petersburg, og vellykkede tester ble utført. Det tredje alternativet er en elektromagnet, hvis induksjon kan styres på en kontrollert måte avhengig av strømstyrken.

Et annet eksempel er en superledende induktiv lagring. Se for deg en enorm spole superledende dirigent. Hvis du injiserer strøm inn på det på noen måte og lukker inngangs- og utgangstrådene, vil strømmen i spolen flyte på ubestemt tid. I samsvar med en velkjent lov vil energi være lukket i en spole

W = l× jeg²/2

hvor L- spiralinduktans. Hypotetisk sett kan man tenke seg at det på et eller annet tidspunkt er overflødig energi i energisystemet, energi tas fra det til en slik lagringsenhet. Her lagres det så lenge som nødvendig til behovet for energi. Så pumpes den gradvis, kontrollerbart tilbake i kraftsystemet.

I fysikk og teknologien til superledelse er det også lavstrømsanaloger av radioelementene til konvensjonell elektronikk. For eksempel, i systemene "superleder - et tynt lag av resistivt metall (eller dielektrisk) - superleder", er det mulig en rekke nye fysiske effekter som allerede er brukt i elektronikk. Dette er kvantiseringen av magnetfluksen i en ring som inneholder et slikt element, muligheten for en brå endring i strøm avhengig av spenning når en svak stråling påføres systemet, og standard spenningskilder bygget på dette prinsippet med en nøyaktighet på 10^-10 B. I tillegg er det lagringselementer, analoge til digitale omformere, etc. Det er til og med noen få datamaskinkonstruksjoner for superledere.

Det haster med problemet med mikrominiaturisering ved bruk av halvledere er at selv en liten energiutgivelse i et veldig lite volum kan føre til betydelig overoppheting og problemet med varmespredning er akutt.

Dette problemet er spesielt relevant for superdatamaskiner. Det viser seg at mikroflisers lokale varmeflukser kan nå kilowatt per kvadratcentimeter. Det er ikke mulig å fjerne varme på vanlig måte ved å blåse luft. De foreslo å fjerne saken om mikrokretser og blåse direkte mikrokrystallen. Her oppsto problemet med dårlig varmeoverføring til luften. Neste trinn var å fylle alt med væske og fjerne varme ved å koke væsken på disse elementene. Væsken skal være veldig ren, ikke inneholde mikropartikler, ikke vaske ut noen av datamaskinens mange elementer. Så langt har disse problemene ikke blitt løst fullt ut. Forskning utføres med organofluorvæsker.

I superledende datamaskiner er det ingen slike problemer, fordi ingen tap. Å avkjøle utstyret til kryogene temperaturer krever imidlertid en del kostnader. Dessuten, jo nærmere absolutt null - jo større blir kostnadene. Videre er avhengigheten ikke-lineær, den er enda sterkere enn den omvendt proporsjonale avhengigheten.

Temperaturskalaen i det kryogene området er konvensjonelt delt inn i flere områder i henhold til kokepunktene for flytende gasser: helium (under 4,2 K), hydrogen 20,5 K, nitrogen 77 K, oksygen 90 K, ammoniakk (-33 °C). Hvis vi kunne finne et materiale med et kokepunkt nær eller over hydrogen, ville kostnadene for å opprettholde kabelen i arbeidstilstand være ti ganger mindre enn for heliumtemperaturer. Ved overgang til nitrogentemperaturer vil det være en gevinst med flere størrelsesordener. Derfor har superledende materialer som opererer ved heliumtemperaturer, selv om de ble oppdaget for mer enn 80 år siden, fremdeles ikke funnet anvendelse i energisektoren.

Det kan bemerkes at påfølgende forsøk på å utvikle en operativ kryogen enhet blir gjort etter hvert av gjennombruddene innen teknologi. Fremskritt innen teknologi har ført til legeringer som har de beste kritiske induksjons- og temperaturegenskapene.

Så på begynnelsen av 70-tallet var det en boom i studien av stannid niob Nb₃Sn. Han har B_med = 22 T, og T_med= 18 K. Imidlertid, i motsetning til metaller, er effekten av superledningen mer komplisert. Det viser seg at de har to verdier av den kritiske spenningen B_c0 og B_c1.  

I gapet mellom dem har materialet ingen motstand mot likestrøm, men har en begrenset motstand mot vekselstrøm. Og selv om In_c0 store nok, men verdiene til den andre kritiske induksjonen B_c1 skiller seg lite fra de tilsvarende verdiene for metaller. "Enkle" superledere kalles superledere av den første typen, og "komplekse" - superledere av den andre typen.

Nye intermetalliske forbindelser har ikke duktiliteten til metaller, så spørsmålet ble samtidig løst hvordan man kan lage utvidede elementer som ledninger fra sprø materialer.Flere alternativer har blitt utviklet, blant annet å lage kompositter som en lagkake med plastmetaller, så som kobber, påføring av intermetaller på et kobbersubstrat, etc., som var nyttig i utviklingen av superledende keramikk.

Superledende keramikk

Det neste radikale trinnet i studien av superledningsevne var et forsøk på å finne superledningsevne i oksydsystemer. Den vage ideen til utviklerne var at i systemer som inneholder stoffer med variabel valens er superledningsevne mulig, og ved høyere temperaturer. Binære systemer, d.v.s. bestående av to forskjellige oksider. Det var ikke mulig å finne superledelse. Og bare i trippelsystemer BaO-La₂O₃-CuO i 1986 ble superledelse oppdaget ved en temperatur på 30-35 K. For dette arbeidet mottok Bednorts og Muller Nobelprisen i det følgende, (!!) 1987

Intensive studier av relaterte forbindelser i løpet av året førte til oppdagelsen av superledningsevne i systemet BaO-Y₂O₃-CuO ved en temperatur på 90 K. Faktisk oppnås superledningsevne i et enda mer komplekst system, hvis formel kan representeres som YBA₂Cu₃O_7-d. verdi d for superledende materiale med høyeste temperatur er 0,2. Dette betyr ikke bare en viss prosentandel av startoksydene, men også et redusert oksygeninnhold.

Faktisk, hvis du beregner etter valens, så yttrium - 3, barium - to, kobber 1 eller 2. Da har metallene en total valens på 10 eller 13, og oksygen har litt mindre enn 14. Derfor er det i denne keramikken et overskudd av oksygen i forhold til den støkiometriske forhold.

Keramikk produseres ved bruk av konvensjonell keramisk teknologi. Hvordan lage ledninger fra et skjørt stoff? En måte blir en suspensjon av pulveret fremstilt i et egnet løsningsmiddel, deretter blir løsningen tvunget gjennom en dyse, tørket og viklet på en trommel. Den endelige fjerningen av leddbåndet utføres ved å brenne, ledningen er klar. Egenskaper til slike fibre: kritiske temperaturer 90-82 K, ved 100 K r= 12 mOhm · cm, (omtrent som grafitt), kritisk strømtetthet 4000 A / m².

La oss dvele ved det siste sifferet. Denne verdien er ekstremt lav til bruk i energisektoren. Sammenlignet med økonomisk strømtetthet (~1 A / mm²) ser man at i keramikk er strømtettheten 250 ganger lavere. Forskere undersøkte dette problemet og kom til at kontaktene som ikke er superledende har skylden. Enkeltkrystaller har faktisk oppnådd strømtetthet som når den økonomiske strømtettheten. Og de siste to-tre årene er det oppnådd keramiske ledninger hvis strømtetthet overstiger den økonomiske strømtettheten.

I 1999 ble det igangsatt en superledende kabel som forbinder to metrostasjoner i Japan. Kabelen er laget ved hjelp av teknologien til "sandwich", dvs. skjør keramikk i den ligger mellom to lag med elastisk og duktilt kobber. Isolasjonen og samtidig kjølemediet er flytende nitrogen.

Hva tror du er et av hovedproblemene med denne kabelen? Du kan gjette at disse problemene tidligere ble diskutert i forhold til isolasjon. Det viser seg at det dielektriske tapet i en så flott dielektrikum som flytende nitrogen varmer det opp, noe som krever konstant omsorg for ytterligere avkjøling.

Men jegikke gi opp, og ifølge nyhetsbyråer i Japan har TEPCO tenkt å lage de første superledende nettverkene som skal levere strøm til boligbygg. I den første fasen blir cirka 300 kilometer med slike kabler lagt i Yokohama, som vil dekke rundt en halv million bygninger!